基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术研究

中红外精密激光光谱技术在痕量气体检测、基本物理常数测定等领域都有重要应用,然而由于缺乏窄线宽、稳定的中红外光源,很难实现中红外精密光谱测量.本文介绍了一种基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术,分析了光学反馈实现激光到F-P腔锁定的可行性,利用一个高精细度中红外超稳F-P腔作为频率参考,基于光学反馈技术实现了量子级联激光器到该超稳腔的锁定.经过评估得到激光器线宽被压窄到1.1 Hz,压窄激光线宽的同时稳定了激光频率,将激光器的长期漂移控制在20 kHz/12 h.其中,为了获取长时间稳定的光学反馈,基于PDH技术获取了误差信号,用于对反馈相位的实时伺服控制.     

原子饱和吸收谱谐波稳频短期稳定度研究

介绍了利用腔外饱和吸收谱的三次谐波和五次谐波稳频方法对半导体激光器进行稳频的原理,分析了使用这两种稳频方法对半导体激光器进行稳频时所得到的激光频率短期稳定度的理论估算方法,提出了通过选取最佳调制深度来优化短期稳定度的方法和原理,并在理论上比较了两种稳频方法得到的短期稳定度的差异。然后讨论了半导体激光稳频电路系统的设计,并利用该电路系统,分别用三次谐波和五次谐波稳频的方法将半导体激光器的频率锁定在的^87Rb饱和吸收的F=2→F′=3,1线上,并使用我们提出的短期稳定度优化方案进行稳定度优化,通过对误差信号的分析,估算出的频率稳定度达到10^-12的量级,使用采集到的误差信号在实验上比较了两种稳频方法所得的稳定度的,其结果和理论基本吻合。     

用于互组跃迁谱测量的窄线宽激光系统

采用Pound-Drerer-Hall稳频技术将689 nm激光锁定在高精细度超稳极低膨胀系数材料腔上,实现用于探测锶原子互组跃迁谱的窄线宽激光.利用光腔衰荡光谱技术,测量了不同阶次多横模情况下腔的精细度,并在理论上分析了平凹型Fabry-Perot腔的损耗与多横模阶次的关系.考虑了光开关延时及探测器响应时间在测量中的影响,对腔衰荡时间的实验测量值进行了修正.利用光纤飞秒光频梳测量了激光器的频率漂移,测出窄线宽激光频率稳定度的秒稳优于2.8×10-13.利用窄线宽激光在锶原子束上观测到具有高信噪比的窄线宽原子跃迁谱线,实验测得谱线的线宽为55 kHz,该窄线宽原子谱线可应用于锶原子二级冷却激光绝对频率的精确测量及锶原子互组跃迁谱的四种同位素位移测量.     

基于自制超稳定F-P腔压窄632.8nm外腔半导体激光线宽的实验研究

窄线宽激光由于其具有单色性好、稳定度高、相干长度长等优点,广泛应用于光电检测领域,包括相干通信、精密测量、光学频率标准、吸收光谱计量以及光与物质相互作用研究等。目前频率稳定的氦氖激光器线宽可以达到MHz量级,分布反馈式（DFB）光纤激光器线宽可达kHz量级,DFB半导体激光器线宽可以达到MHz量级,然而光栅反馈半导体激光器可以实现百kHz量级线宽的输出。为了进一步压窄各类激光器线宽,需要通过反馈控制技术来锁定激光到某一频率参考。该研究将自行设计的超稳腔作为频率参考,实现了632.8 nm外腔半导体激光器（ECDL）线宽的有效压窄。本窄线宽激光产生系统的研制包括超稳腔设计、光路设计、ECDL频率控制以及系统集成。超稳腔采用两镜法布里-珀罗腔（F-P腔）结构,腔体是膨胀系数约为10-6 K-1的微晶玻璃,腔镜为一对反射率达99.988 5%(±0.003 5%）的平面镜和凹面镜。为进一步减小外界环境对F-P腔腔长的影响,需要对腔体进行温度控制,本系统采用四片总功率为96 W的半导体制冷片以及水冷散热设计。同时为了降低声音和空气流动对腔模频率的影响,将F-P腔置于真空度为10-5 torr的真空室中;另外为了有效隔振,腔体与真空室用硅橡胶材料隔离。该系统采用的ECDL为德国Toptica公司的DL pro系列激光器,其具有压电陶瓷（PZT）和电流调制两个频率控制端,响应带宽分别为1 kHz和100 MHz。激光器的频率控制采用了Pound-Drever-Hall （PDH）锁频技术,18 MHz的调制频率加载到激光器的电流调制端,通过对F-P腔的反射信号进行解调获得误差信号,通过两路反馈控制,实现了近1 MHz的锁定带宽。通过对系统的不断优化,最后将自由运转状态下约300 kHz的激光线宽压窄到了10 kHz量级,并且系统运行稳定,连续12小时锁定的频率漂移量约为30 MHz。该研究研制的632.8 nm窄线宽激光源不仅可以应用到吸收光谱计量领域,同时也可以在光学面型精密测量领域发挥重要作用。     

高斯白噪声相位调制的激光光谱展宽

激光器是现代光学中一种常用的光源,分析其谱宽特性对于激光的研究具有重要意义.由于高性能窄线宽激光的半高全宽通常在几十M Hz以内,难以直接满足宽光谱领域的应用需求,因而无法发挥其在成本和性能方面的优势,这在一定程度上限制了激光的发展.如果在激光内部直接进行调制实现线宽展宽,又会导致频率的严重漂移,破坏稳频特性.为了在激...     

MYR-80A型激光单色仪

本仪器用脉冲YAG激光器的二次谐波和三次谐波作为泵浦源,激光染料作为工作物质,获得染料激光。同时采用腔内插入频率色散元件的方法,用ZF-7重火石玻璃制成的三棱镜元件可获得窄激光线宽。波长的调谐是改变全反射镜的角度来实现的。 本仪器包括四部分:YAG激光电源;激光振荡放大系统;倍频、和频、分光系统和染料激光器。 这种单色仪应用潜力很大,对激光光谱学、非线性光学、激光化学、激光物理、激光生物学、测量大气污染、分离同位素以及工业、军事、科研、教学等方面都有很广泛的应用价值。     

用乙炔稳频二极管-泵浦Er-Yb玻璃激光器

介绍了一种新颖的二极管-泵浦Er-Yb玻璃激光器，利用Pound-Drever-Hall技术并采用乙炔分子P（15）线对其实现了稳频。实验装置中将两个激光器的出射波长锁定到同一气室的乙炔P（15）吸收曲线的同一侧，使得温度对吸收峰值频率产生的漂移和温度导致气压变化使线宽增宽均对频率稳定性不产生影响。通过测量两个相同激光器系统间出射光波的拍频发现，激光的短期带宽窄于50kHZ，通过频率波动情况得出激光器有较高的相对频率稳定度。改进后的激光器稳定性和重复性显著提高，适合于实现高精度的光学频率标准。     

Rb原子的激光囚禁

用饱和吸收光谱法对二极管激光器进行稳频,使激光器的有效线宽小于１ＭＨｚ,并利用声光调制器使激光的频移量得到控制,满足了激光冷却与因禁原子对激光频率生和频 量的 Ｒｂ原子的激光囚禁。     

激光二极管相对于铯饱和吸收D2线的无调制扰动三次谐波锁频

将频率调制加在声光调制器上 ,用三次谐波探测法获得了铯原子D2 线的三阶微分饱和光谱。采用这种激光器无调制扰动方案结合三次谐波锁频技术 ,实现了 85 2nm的分布布拉格反射器半导体激光器相对于 6S1/2 F =4- 6P3 /2 F′ =5超精细跃线的频率锁定。由锁定后的频率误差信号估算 ,10s内激光频率起伏小于± 35 0kHz ,相对频率稳定度约 1× 10 -9。这种无调制扰动方案可以消除一般的饱和吸收稳频方法中由于直接对激光器进行频率调制而带来的额外频率噪声 ;三次谐波锁频技术的应用 ,还可有效地降低铯原子饱和吸收谱中剩余多普勒背景的影响     

基于DSP技术的外腔半导体激光器自动稳频系统

实现了一种基于数字信号处理(DSP)技术的外腔半导体激光器的自动稳频装置。该自动稳频装置以铷原子的饱和吸收谱线作为频率参考,采用调制解调技术得到稳频所需的鉴频信号。激光自动稳频装置通过模数转换器以固定的速率不间断地采集饱和吸收信号和鉴频信号,由DSP芯片对采集到的数字信号进行处理和分析。DSP芯片利用通用输入输出端口控制调制信号的开关状态,通过数模转换器控制激光频率扫描以及输出数字反馈。利用所述的激光稳频技术不仅实现了外腔半导体激光器自动稳频,而且能够实时评估激光器的锁定情况,在激光器失锁后及时重新锁定,提高了激光器的长期运行能力。最后,将使用自动稳频技术的激光器应用于空间冷原子钟原理样机地面实验中,该稳频激光可以满足相关科学实验的需求。     

Controlling the frequency of the frequency-shifted feedback fiber laser using injection-seeding technique

In this paper we describe the stabilization of the optical frequency comb (OFC) generated by the frequency-shifted feedback (FSF) erbium fiber laser. Frequency of the comb is controlled using the distributed feedback laser diode seeded into the cavity of the FSF laser. When the DFB diode is stabilized to the molecular absorption line of hydrogen cyanide frequency stabilized OFC is obtained.     

Grating-Stabilized External Cavity Diode Lasers for Raman Spectroscopy—A Review

Abstract: Conventional Raman techniques require a continuous-wave laser with stabilized wavelength, narrow line width, and sufficient output power. Due to their miniature size and low cost, diode lasers are good choice as light sources for Raman spectroscopy, especially when compact and portable instruments are needed. However, a solitary multimode diode laser has certain drawbacks that limit its use for Raman application. To circumvent these drawbacks, an external cavity can be coupled to the active gain medium of the diode to enhance the laser performance. A grating-based external cavity allows the laser to operate in a single longitudinal mode with greatly reduced line width and stabilized wavelength. This article examines the fundamentals of semiconductor lasers to show the necessity of operating diode lasers in an external cavity for Raman applications. Two feedback grating-based external cavity diode laser (ECDL) designs, viz. Littrow and Littman-Metcalf configurations, are explained. Historic and recent progress in the development of ECDL devices is reported. An updated summary of ECDL-equipped Raman systems applied to fields such as in vivo biomedical studies and in situ process/quality control is provided. Topics on mode-hop-free continuous scanning, wavelength stabilization, and dealing with ambient conditions are discussed.     

准连续激光调制吸收谱的多谐波分析

使用准连续二极管激光器进行多重调制光谱检测时,发现吸收光谱信号中存在着丰富的倍频、和频以及差频成分;从激光与气体吸收谱线的非线性作用角度研究了倍频、和频及差频等信号存在的必然性;从实验角度对信号特征进行研究,发现其中有些和频、差频成分的幅度比传统调谐二极管激光吸收光谱技术中的二次谐波信号的幅度更大,有望在准连续调制谱技术中提高检测的灵敏度。     

A Narrow Line Width Tunable Diode Laser System

ＡＮａｒｏｗＬｉｎｅＷｉｄｔｈＴｕｎａｂｌｅＤｉｏｄｅＬａｓｅｒＳｙｓｔｅｍＷＡＮＧＸｉｎｑｉＷＡＮＧＹｕｚｈｕ（ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＱｕａｎｔｕｍＯｐｔｉｃｓ，ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃ...     

1560 nm连续光半导体激光器经PPLN倍频及经铷吸收光谱稳频

将激光器锁定到合适的参考频率上,可以有效地改变激光器的频率稳定性。1560 nm的分布反馈式半导体激光器,可以通过倍频锁定于铷原子吸收线上。实验中我们利用PPLN准位相匹配晶体进行倍频,当输入光为1.6 W时可以获得25 mW的倍频光,非线性转换系数为0.96%/W。我们还将激光器的频率锁定于Rb原子的吸收线上,30 s内剩余频率起伏约为±3.5 MHz。     

高效全固化紫外四倍频激光器的研究

用半导体激光器抽运的调Q YLF倍频激光器抽运掺钛蓝宝石激光器，用LBO晶体在腔内产生二次谐波，再聚焦到BBO晶体上产生四次谐波深紫外激光。为了提高谐波转换效率，在腔内分别插入了单片、组合双折射滤光片和聚焦透镜，在平均功率为3.6W，波长为527nm的抽运光下得到410mW，417nm的蓝光。用长焦距的透镜聚焦二次谐波，得到34mW，208nm的紫外脉冲激光。从实验上详细研究了基频光的线宽对二次谐波效率的影响，二次谐波的线宽对四次谐波效率的影响、基频光的波长对四次谐波产生效率的影响。全面地分析了单片和组合大拆射滤光片及抽运功率对钛蓝宝石激光器基频光的脉宽、线宽等参量的影响。     

A narrow-line-width external cavity quantum dot laser for high-resolution spectroscopy in the near-infrared and yellow spectral ranges

We demonstrate a diode laser system which is suitable for high-resolution spectroscopy in the 1.2 μm and yellow spectral ranges. It is based on a two-facet quantum dot chip in a Littrow-type external cavity configuration. The laser is tunable in the range 1125–1280 nm, with an output power of more than 200 mW, and exhibits a free-running line width of 200 kHz. Amplitude and frequency noise were characterized, including the dependence of the frequency noise on the cavity length. Frequency stabilization to a high-finesse reference cavity is demonstrated, whereby the line width was reduced to approx. 30 kHz. Using a femtosecond frequency comb, the residual frequency instability was determined and found to be below 300 Hz on the time scales 1–300 s. Yellow light (>3 mW) at 578 nm was generated by frequency doubling in an enhancement cavity containing a PPLN crystal. The source has potential application for precision spectroscopy of ultra-cold Yb atoms and cold molecular hydrogen ions.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的氧气测量方法的研究

O₂是工业过程中广泛应用的重要气体, 在工业生产环境下实现O₂浓度的快速在线检测对提高燃烧效率和节能减排具有重要的意义。可调谐半导体激光吸收光谱谐波探测技术是一种具有高灵敏、高选择性、快速响应等特点的气体检测新技术,该技术利用了半导体激光器的可调谐和窄线宽特性,通过精心选择待测气体的某条吸收线可排除其他气体的干扰,实现待测气体浓度的高灵敏快速在线检测。文章以可调谐分布反馈(Distributed feedback, DFB)半导体激光器作为光源,通过波长调制方法对760 nm附近氧气某一吸收线的二次谐波信号测量,从而实现了对氧气浓度的快速在线检测。系统指标达到：检测范围0.01%～20%;检测精度0.1%;长期稳定性1%。     

Frequency stabilization of laser diodes using 1.51-1.55 μm absorption lines of 12C2H2 and 13C2H2

Frequency stabilization of an 1.5 μm distributed feedback laser diode (DFB-LB) is demonstrated using a vibrational-rotational absorption of acetylene ¹²C₂H₂ and ¹³C₂H₂ molecules (VRAM). Frequency stability within 2 MHz peak-to-peak fluctuation can be achieved in the wavelength region of 1.51-1.55 μm. Frequency-stabilized distributed feedback (DFB) laser compact modules have been constructed. When the fiber-pigtail-type acoustic optical modulator was used for small laser frequency scanning, frequency stability within 3 MHz peak-to-peak fluctuation was achieved without any broadening of laser spectral linewidth. In addition, temperature and pressure dependencies of the acetylene absorption lines are characterized.